电子回旋共振离子推力器放电室等离子体特性实验及数值研究

国外6年的空间飞行试验表明：电子回旋共振离子推力器(ECRIT)可应用于深空探测。国内以空间环境、高荷态离子加速和材料处理为背景开展过ECR离子源研究，取得长足发展。这些工作为ECRIT研究奠定了基础，然而应用背景决定了ECRIT具有其自身特点，需研究结构紧凑、引出束流密度大和能量高且分布均匀的全永磁材料ECR离子源。为此，本项目先以获取放电室出口密度高、均匀分布的等离子体为目标，以实验研究为重点：1）以电磁场数值分析为基础，建立ECRIT放电室实验模型；2）考虑磁场效应，采用静电探针，实验诊断放电室等离子体参数，优化结构与物理参数；3）利用发射光谱诊断方法，诊断放电室等离子体光谱特征，和探针诊断结果相互修正；4）考虑磁场效应，采用漂移-扩散模型，数值研究放电室等离子体特征，和实验结果相互验证。项目工作将为开发新型等离子体推进装置奠定基础。

电子回旋共振离子推力器(ECRIT) 主要由ECRIT放电室和ECR中和器组成，属于静电型电推进装置。现有长达7年之久的空间应用实例证明ECRIT应用于空间飞行器具有寿命长、可靠性高的有优点。本项目开展ECRIT放电室（离子源）等离子体特性实验研究及数值模拟。与高荷态离子加速和材料处理应用ECR离子源不同的是，应用于推力器的ECR离子源结构紧凑、系统简单、引出的离子束流密度大且分布均匀，因而ECRIT离子源需要采用全永磁材料的结构方案。为此，本项目以获取放电室出口密度高、均匀分布的等离子体为目标，开展了如下工作：1）以电磁场数值分析为基础，建立ECRIT放电室实验模型。2）考虑磁场效应，采用静电探针，实验诊断放电室等离子体参数，优化了结构与物理参数。3）根据ECRIT放电室内等离子体电子能量的特征分布，推断ECR区的电子能量为双Maxwell分布，高能区电子为主电子；而当主电子运动到非ECR区时，通过碰撞和能量交换主电子转化为热电子，因而非ECR区的电子能量为Maxwell分布。因而采用了以Maxwell电子能量分布为假设的简单碰撞辐射模型对ECRIT放电室内非ECR区的等离子体进行发射光谱诊断。发射光谱诊断结果和探针诊断结果相互一致。4）考虑磁场效应，针对本项目建立的ECRIT放电室实验模型，建立了等离子体的漂移-扩散数理模型，数值计算了放电室ECR等离子体特征，计算结果和实验结果相一致。. 项目研究结果表明本项目建立的ECRIT放电室实验模型产生了环状的ECR等离子体区，从而可以避免放电室栅极中心处受到高密度离子束流的溅射，有利于提高推力器的寿命；探针和发射光谱诊断实验结果表明环状ECR区等离子体的电子密度和温度高，靠近轴线部位电子密度和温度底；实验诊断结果和数值模拟结果相吻合。最后利用本项目建立的ECRIT放电室实验模型成功地引出了离子束流，证明了放电室结构的合理性。